Введение к работе
Актуальность темы, объект и предмет исследования. В последнее время легированные двухвалентными элементами оксиды переходных металлов типа Ri_xAxMn03 (где R - La, Pr, Nd и др., А - Sr, Са, Вг и др.) являются объектами интенсивных исследований. Концентрация х может меняться в диапазоне от 0 до 1 и при этом физические свойства манганитов существенно меняются, система проходит через последовательность фазовых трансформаций с разнообразными типами упорядочения: магнитного, структурного и электронного. Одним из уникальных свойств манганитов является эффект колоссального магнитосопротивления. Этот эффект наблюдается в интервале концентраций х, где существует металлическая ферромагнитная фаза и заключается в том, что сопротивление меняется при приложении магнитного поля. Величина эффекта в полях порядка 1 Тл может достигать десятков процентов. Другим интересным свойством манганитов является появление ферромагнитной фазы, совпадающей с переходом металл-изолятор, при этом температура Кюри совпадает с температурой перехода.
Изготовление тонких эпитаксиальных пленок манганитов и структур на их основе является сложной технологической задачей. Стехиометрический перенос состава мишени на подложку и эпитаксиальный рост с высококачественной кристаллической структурой необходим для использования манганитов в устройствах спинтроники и может осуществляться только при высоких температурах напыления до 800 С в атмосфере кислорода. Рост эпитаксиальных пленок приводит к появлению деформаций кристаллической структуры манганитов, которые оказывают существенное влияние как на электрофизические параметры пленок, так и на магнитные свойства. Исследования влияния кристаллических искажений на
магнитную анизотропию манганитов могут помочь в разработке новых устройств спинтроники на основе манганитов.
В основе теоретического рассмотрения магнитных и транспортных свойств легированных манганитов лежит модель двойного обмена. Эта модель рассматривает только марганцевую подрешетку кристаллической структуры перовскита, в которой интеграл перескока eg электрона между ближайшими ионами марганца зависит от взаимного упорядочения их локальных магнитных моментов, образованных тремя i2g электронами. Электроны проводимости в ферромагнетиках можно рассматривать с разбивкой на две подзоны, соответствующие направлению спинов электронов. Соотношение плотности состояний в этих подзонах на уровне Ферми будет определять спиновую поляризацию носителей тока. Некоторые материалы имеют плотность состояний на уровне Ферми одной из подзон равную нулю. Такие материалы называют полуметаллическими ферромагнетиками и к ним относятся манганиты с концентрацией допирующего элемента вблизи х = 0.3. Полуметаллические ферромагнетики особенно интересны для приложений в области спинтроники как источник полностью поляризованного по спину тока.
Высокая степень поляризации свободных носителей в манганитах с уровнем допирования х = 0.3 была подтверждена в экспериментах с туннельным магнитными контактами, в которых при низких сопротивлениях величина магнитосопротивления в слабых магнитных полях превосходила 1000 %. Однако в экспериментах с бикристаллическими контактами при развороте кристаллографических осей в плоскости подложки максимальные полученные значения магнитосопротивления не превышали 30-40 %. Исследование спин-зависимого транспорта и магнитных свойств в пленок манганитов и структур на их основе является актуальной задачей.
Цель и задачи исследования
Разработка технологии роста тонких эпитаксиальных пленок манганитов. Оптимизация процессов роста на монокристаллических подложках с
различной степенью рассогласования постоянных решетки. Разработка технологии изготовления многослойных металлоксидных структур и бикристаллических переходов на основе манганитов.
Разработка методики исследования магнитных свойств тонкопленочных структур из манганитов на основе магниторезистивных эффектов и планарного эффекта Холла.
Определение влияния кристаллических напряжений на электрофизические и магнитные свойства эпитаксиальных пленок из манганитов.
Выявление взаимосвязи спин-зависимого транспорта и структуры границы в бикристаллических контактах из манганитов на бикристаллических подложках с наклоном базовых плоскостей.
Основные положения, выносимые на защиту
Разработанная на основе техники магнетронного распыления методика роста позволяет изготавливать высококачественные эпитаксиальные пленки манганитов на монокристаллических подложках с рассогласованием параметров до 4 %.
Предложенная модель учета влияния трехмерных искажений структуры на магнитную анизотропию объясняет поведение магнитной анизотропии в наклонных пленках манганитов и тонких пленка железа на подложках с наклоном базовой плоскости.
Полученное значение магнитосопротивления контактов на бикристаллических подложках с разворотом базовых плоскостей вокруг границы существенно превосходит значения магнитосопротивления для бикристаллических контактов других типов.
Научная новизна диссертации
1. Полученная зависимость величины и симметрии магнитной анизотропии в пленках манганитов Ьао.бб8г0.ззМпОз от рассогласования с кристаллической структурой подложки подтверждает преимущественное влияние
напряженности эпитаксиальных пленок на механизм формирования магнитной анизотропии в манганитах.
Обнаружено, что нормированная на продольное сопротивление величина планарного эффекта Холла постоянна в диапазоне температур от 4.2 К до 0.8 Тсшіе, что указывает на взаимосвязь механизма рассеяния носителей заряда в Ьао.бб8г0.ззМпОз и планарного эффекта Холла.
Предложена модель и рассчитана зависимость величины одноосной магнитной анизотропии в эпитаксиальных пленках манганитов Ьао.бб8го.ззМпОз от угла наклона базовой плоскости подложки.
В бикристаллических переходах из Ьао.ббСао.ззМпОз на подложках NdGa03 с наклоном базовых плоскостей впервые получено рекордное значение магнитосопротивления для бикристаллических переходов 150 % в полях до 1кЭ.
Практическая ценность работы
Полученная зависимость магнитной анизотропии от внесенных кристаллических деформаций позволяет создавать устройства спинтроники с заданными параметрами: направлением и величиной магнитной анизотропии.
На основе планарного эффекта Холла разработана методика оценки параметров тонких ферромагнитных пленок манганитов, которая применима для исследования многослойных магнитных микроструктур, недоступных для исследования другими методами магнитометрии, требующих либо больших объемов материала, либо доступа поверхности для облучения СВЧ полем или светом.
Полученная высокая величина магнитосопротивления в бикристаллических контактах из манганитов открывает возможность использования их в качестве чувствительных датчиков магнитного поля.
Апробация работы.
Соискатель представил 10 докладов на научные конференции, в том числе: International Conference on Magnetism (ICM'09), Germany, Karlsruhe, Moscow International Symposium on Magnetism (MISMT1), Moscow, International conference "Functional Materials" ICFM-2009, Ukraine, 17th Int. Symp. Nanostructures: Physics and Technology", Minsk, Belarus, 2009, Международный симпозиум Структуры со структурным и магнитным упорядочением, Ростов на Дону Россия, 2007, International conference on Nanoscale Magnetism (ICNM2007), 2007, Istanbul, Turkey, Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости ФПС'06. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на семинарах ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН.
Основные результаты проведённых исследований опубликованы в 13 работах, в том числе в 6 статьях, все - в журналах, входящих в Перечень изданий, рекомендованных ВАК Минобразования и науки РФ, в 7 докладах на международных и российских конференциях с публикацией расширенных тезисов.
Личный вклад соискателя состоит в: участии в создании установок для изготовления экспериментальных образцов и в проведении измерений их электрофизических параметров, соискателем были проведены численные исследования и дана интерпретация полученных результатов, он участвовал в написании научных статей и их подготовке к публикации.
Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Диссертация содержит 30 рисунков и 3 таблицы.
